Разработка и исследование следящего пневматического исполнительного устройства для автоматизации процессов нанесения покрытий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Сергеев, Сергей Михайлович

• Сергеев, Сергей Михайлович
• кандидат технических наук
• 1982

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сергеев, Сергей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ . . 8 1Л. Сравнительный анализ различных типов исполнительных устройств.

1.2. Пневматические роботы как средство автоьатизации

1.3. Основные направления повышения функциональности исполнительных устройств пневматических промышленных роботов для автоматизации операций нанесения покрытий

Выводы.

2. СЛЕДЯЩЕЕ ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

2.1. Математическая модель, алгоритм и программа моделирования на ЦВМ.

2.2. Энергетический расчёт

2.3. Линеаризованная модель и структурная схема

2.4. Динамический расчёт

Выводы.

3. СИНТЕЗ СЛЕДЯЩЕГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

3.1. Расчёт параметров пневмодвигателя

3.2. Расчёт элементов устройства управления

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Описание эксперш.ентальной установки.

4.2. Экспериментальное исследование контура скорости

4.3. Экспериментальное исследование гармонического режима изменения координаты при нанесении покрытий

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование следящего пневматического исполнительного устройства для автоматизации процессов нанесения покрытий»

Главной экономической задачей, поставленной ХХУ1 съездом КПСС перед народным хозяйством СССР в одиннадцатой пятилетке является повышение эффективности общественного производства на основе его всесторонней интенсификации. Одним из основных средств решения этой задачи является всемерное внедрение комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, неуклонное сокращение во всех отраслях численности работников, занятых ручным трудом, доля которого в промышленности составляет около 40%. Всё ещё велико число людей, занятых монотонными и вредными для здоровья работами среди которых следует отметить процессы нанесения покрытий связанные с распылением летучих агрессивных веществ и составляющие около 12% всех операций которые предполагается автоматизировать.

В условиях современного гибкого динамичного производства для решения задачи полной автоматизации производственных процессов недостаточно использования только традиционных средств (специальных автоматов, автоматических линий и.т.п.)* Наиболее целесообразным является применение универсальных промышленных роботов (IIP) /г.1,2.2/.

Если проблема создания обычных машин-автоматов, в том числе их исполнительных устройств в настоящее время достаточно разработана, то к работам по созданию промышленных роботов приступили сравнительно недавно.

Основы развития отечественной робототехники были заложены постановлениями Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике от 28.06.1972г. №295 и от 21.02.1973г. Последним был утверждён первый координационный план по этой проблеме (0.16.575) на девятую пятилетку, охвативший 16 основных отраслей и ведомств, включая АН СССР и Высшую школу.

Основные направления дальнейшего развития робототехники в СССР определены в постановлении ЦК КПСС от 9 августа 1980г. "О мерах по увеличению производства и широкому применению автоматических манипуляторов в отраслях народного хозяйства в свете указаний ХХУ съезда КПСС" /1.1/.

Усилиями нескольких научных коллективов (МВТУ им. Баумана, ЦНИИ РТК, Институт машиноведения, ЭНИЖЗ, Институт прикладной математики, ЦНИИТЙ, НИАТ, Оргстанкинпром и др.) и ряда учёных И.И.Артоболевский, Е.П.Попов, Д.Е.Охоцимский, Б.Е.Патон, В.С.Кулешов, Н.А.Лакота, Е.И.Юревич, М.Б.Игнатьев, Ф.К.Кулаков, В.С.Ястребов, Ю.Г.Козырев, Б.И.Сурнин, В.П.Степанов, П.К.Белянин, Я«А. Ишфрин, К.С.Андреенко, А.А.Панов и др. создан большой научный задел по робототехнике.

В течение ряда лет в СССР разработано около 200 моделей ПР предназначенных для работы в различных отраслях народного хозяйства, в том числе на операциях нанесения покрытий, окраски.

Функциональные возможности робота определяются в основном его исполнительными устройствами (ИУ). В настоящее время соотношение количества типов ПР в зависимости от используемого исполнительного устройства таково: - пневматические роботы, 35$ - гидравлические, 15$ - роботы с электроприводом, около роботы с ИУ других типов, а также комбинированные. Такое распределение обусловлено требованиями к исполнительным устройствам предъявляемыми промышленностью и технологией производства. Среди этих требований необходимо отметить такие как простота конструкции, высокая надёжность, удобство в эксплуатации, высокая удельная мощность, низкая стойкость. Кроме того при автоматизации операций нанесения покрытий технологические требования зачастую включают пожаровзрывобезопасность, сохранение чистоты рабочей зоны, возможность работы в условиях агрессивных сред, газов,/2.2, 2.10, 2.13/ что затрудняет использование гидравлических и электрических исполнительных устройств.

Указанным эксплуатационным требованиям удовлетворяют пневматические исполнительные устройства, но в настоящее время они получили ограниченное применение при автоматизации операций нанесения покрытий ввиду низкой функциональности наиболее распространённых релейных пневматических ИУ.

Цель настоящей работы формулируется следующим образом: разработка высокофункционального пневматического исполнительного устройства для автоматизации процессов нанесения покрытий при условии сохранения основных конструктивных и эксплуатационных достсинств релейных пневматических устройств.

В диссертации поставлены следующие задачи:

- на основе анализа основных типов исполнительных устройств, выявить диапазон конструктивных параметров в котором наиболее эффективно применение пневматических ИУ. Рассмотреть существующие способы повышения функциональности пневматических приводов и выбрать из них наиболее целесообразный с точки зрения возможности реализации в промышленных роботах, предназначенных для автоматизации процессов нанесения покрытий. На этой основе разработать схему системы управления высокофункциональным следящим пневматическим ИУ.

- составить математическую модель полученного исполнительного устройства, показать возкожнссть создания на таком принципе ИУ удовлетворяющих основным требованиям предвявляемым к ИУ промышленных роботов, произвести анализ зависимости показателей его

- б работы от основных характеристик составляющих элементов и параметров системы управления:

- используя результаты проведённого анализа разработать методику синтеза конструктивных параметров предлагаемого привода, а также получить формулы расчёта требуемых характеристик элементов и преобразователей системы управления1.:

- экспериментально подтвердить теоретическую часть исследования.

В результате исследований было выявлено, что пневматические исполнительные устройства обладая простотой конструкции, в' наиболее распространённом в робототехнике диапазоне мощностей от 100 до 800 вт сохраняют высокую удельную мощность при низкой стоимости и наиболее удовлетворяют требованиям предьявляемым к ИУ предназначенным для автометизации процессов нанесения покрытий. Недостаток используемых в настоящее время пневматических ИУ-низкие функциональные свойства обусловленные отсутствием обратных связей по параметрам движения, что вызвало применение их в основном в простых цикловых системах. Для автоматизации операций пс нанесению покрытий,необходимо применение высокофункциональных ИУ работающих в следящем режиме.

Ь результате исследования применяемых и разрабатываемых в настоящее время методов повышения функциональности пневмоприводов разработана принципиальная схема следящего пневматического ИУ, в котором для управления использованы релейные пневмораспредели-тели. Получена математическая модель устройства в размерной и безразмерной форме, составлены алгоритм и программа моделирования на ЦВМ. Из исходной системы получена линеаризованная модель и составлена структурная схема, что позволило исследовать условия устойчивости, параметры автоколебаний, точность отслеживания в зависимости от характеристик системы и внешних Бездействий. Получены приближённые уравнения,описывающие механические характеристики пневмодвигателя; получены выражения позволяющие по заданной нагрузочной характеристике объекта управления определить конструктивные параметры пневмопривода, обеспечивающие воспроизведение требуемых законов движения при наиболее полном использовании пневмодвигателя по мощности. Разработаны условия выбора способов соединения элементов системы управления .и расчёта их параметров из условия получения требуемых динамических характеристик; рассмотрен метод коррекции траектории с применением трафаретов для повышения точностных характеристик ИУ. Проведены экспериментальные исследования подтвердившие основные положения теоретического анализа и методов синтеза. Приведён пример расчёта синхронизированного с подвижным конвейером роботизированного технологического комплекса по нанесению покрытий с использованием следящих пневматических Ш в звеньях манипулятора.

Разработанная и подтверждённая экспериментальными исследованиями методика расчёта позволяет проектировать следящие пневматические исполнительные устройства для автоматизации процессов нанесения покрытий, а также на ряде других операций.

I. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

В настоящее время в промышленности имеется целый ряд средств для автоматизации процессов нанесения покрытий и окраски.

В первую очередь создавались различные автоматы,которые осуществляли перемещение деталей в зоне распыления, либо движение распылителя по заданной программе. Такие устройства целесообразны и экономически эффективны при крупносерийном производстве и покрытии деталей небольших, размеров и простой формы. Современное гибкое производство,ориентированное на выпуск большой номенклатуры, требует быстрой переналадки оборудования на покрытие различных деталей, к этому добавляется требование синхронизации с подвижным конвейером. Поверхности деталей могут иметь довольно сложную конфигурацию, одновременно предъявляются высокие требования к равномерности покрытия, зачастую строго регламентируется толщина его слоя, кроме того распыляемые материалы могут икеть высокую стоимость и необходимо рациональным образом осуществлять процесс нанесения покрытий.

Перечисленным требованиям"наиболее полно удовлетворяет автоматизация с применением промышленных роботов /2.13/. Имеющиеся в настоящее время модели ПР для автоматизации процессов нанесе'-ния покрытий,как правило,оснащены исполнительными устройствами с гидравлическими или электрическими следящими приводами.которые характеризуются высокой стоимостью и целесообразны в основном,при покрытии крупных изделий. На ряде участков используются для этих целей пневматические ПР; гораздо более доступные и надёжные /2.2/, однако ввиду низкой функциональности они не получили широкого распространения. Разработка позиционных пневматических исполнительных устройств не позволила значительно расширить сферу применения пневмороботов на операциях нанесения покрытий. Для решения этой задачи принципиально необходимы следящие пневматические исполнительные устройства /3.34/.

I.I. Сравнительный анализ различных типов исполнительных устройств.

Исполнительные устройства тобота располагаются в нижнем уровне иерархической структуры системы управления, решающем задачу формирования траекторий и обеспечения движений по этим траекториям звеньев манипулятора /2.4, 2.6, 2.7, 2.8/. При рассмотрении структуры этого уровня выделяются вычислительное устройство, комплекс приводов и объект управления, представляющий собой манипулятор с несколькими степенями подвижности. Число приводов обычно соответствует числу степеней подвижности робота, вычислительное устройство участвует в управлении работой приводов. Упомянутая иерархическая структура системы управления характерна для роботов старших поколений. ^ наиболее распространённом на современном этапе классе роботов - роботах первого поколения, система управления решает задачи только нижнего уровня. Приводы звеньев манипулятора робота,энергетически обеспечивающие движение в соответствие с прг^аммой , в значительной мере определяют динамические, точностные, весогабарит-ные и стоимостные характеристики всего робота. Имеющийся опыт разработки и эксплуатации ПР позволяет сформулировать некоторые общие требования к их приводам. ряде работ, i-апример, в /2.9, 2.10, 2.II, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7/ указаны в том или ином объёме основные требования к приводам ПР, их специфические особенности. Надо отметить, что в большинстве имеющихся публикаций требования к приводам ПР сформулированы в самом общем виде на качественном уровне и не приводится каких-либо обоснованных с точки-зрения технологии количественных оценок.

Рассматривая требования к приводам в /4.2/ предлагается выделить три группы характеристик:

- характеристики управления

- конструктивные характеристики

- эксплуатационные характеристики

К первол из перечисленных групп отнесём характеристики определяющие возможный диапазон регулирования скорости, быстродействие, качество переходных процессов, точность отработки заданного управляющего воздействия, равномерность движения при постоянном сигнале управления. Имеющиеся в литературе требования к этой группе характеристик приводов имеют неполный, а иногда даже противоречивый характер. Как правило не указывается требование к динамической точности отработки заданного воздействия, равномерности движения, диапазону регулирования скорости, так как к этим характеристикам приводов ПР^ за исключением динамической точности, не предъявляется жёстких требований /3.5/. В большинстве работ посвящённых исполнительным устройствам ПР указывается на такую специфическую особенность работы их приводов,как изменение в широком диапазоне статической и динамической нагрузки /3.5, 3.7, 4.2/, что является следствием изменения в процессе движения взаиморасположения звеньев манипулятора, переменной массы полезного груза, динамического взаимовлияния приводов манипулятора ПР при совместной работе. Требований к полосе пропускания частот, привода как характеристике его быстродействия в работах по приводам ПР не встречается. В работе /3.1/ указана рекомендуемая величина максимальных скоростей до (14-1,5) м/с и (1,57*3,14) 1/с, кроме того;указаны границы максимальных величин ускорений приводов ПР

Р ? при поступательной (Юм/с ) и угловом (1,57 1/с ) перемещениях

2.2, 2.13, 3.5, 3.6, 4.2/.

В ряде работ /2.11, 2.13, 3.16, 3.17, 3.35, 3.36, 3.37, 4.1/ рассматриваются технологические процессы, требующие применения промышленных роботов с контурным управлением (дуговая сварка, окраска, нанесение различных покрытий и.т.п.) и указывается, что требования к точности воспроизведения заданной траектории при нанесении покрытий, окраске гораздо слабее чем, например в процессе дуговой сварки. конструктивным характеристикам исполнительных устройств отнесём весогабаритные показатели, которые определяются удельной мощностью, удобство встраивания в звенья манипулятора, наличие механической передачи, тормозного устройства. В /2.3, 2.9, 3.18/ подробно рассматриваются свойства механических передач приводов звеньев манипуляторов и их влияние на динамику систем управления. Устранение механических передач из кинемати -ческих цепей манипуляторов проще всего достигается при использовании пневматического или гидравлического привода. Определяющим требованием к конструктивным характеристикам приводов ПР является требование обеспечения максимальной удельной мощности, определяемой соотношением мощности привода к весу силовых частей /2.3, 2.9, 2.II, 2.13, 3.3, 3.5, 3.7/. Жёсткие требования к этому показателю обусловлены тем, что силовые элементы приводов располагаются,как правило, на подвижных частях манипуляторов ПР и являются дополнительной статической и динамической нагрузкой для приводов предшествующих звеньев, что требует соответст -венного увеличения жесткости звеньев манипулятора и приводит к общему возрастанию весогабаритных показателей ПР.

К эксплуатационным характеристикам ПР отнесем надежность , стоимость, удобство настройки, наладки и обслуживания, ремонто-способность, уровень шума, пожароопасность, экономичность. К эксплуатационным характеристикам ПР не предъявляется дополнительных требований, отличных от других промышленных механизмов. Однако в /3.1, 3.6, 3.19/ указывается, что существенными факторами, сдерживающими более широкое внедрение ПР в отечественную промышленность, является высокая стоимость и недостаточная на -дежность.

Проведем теперь краткий сравнительный анализ гидравличес ких, пневматических и электрических приводов ПР. Пневматические приводы получили самое широкое распространение в робототехнике (45$ от всей мировой совокупности моделей ПР , 90% выпускаемых в СССР /3.1/, благодаря своим отличным конструктивным и эксплуатационным характеристикам /2.2, 2.13, 2.14, 2.15,

2.28, 3.5, 3.20, 3.27, 3.34/.

Основными недостатками пневматических приводов являются неудовлетворительные характеристики управления /2.2, 2.13, 3.5/, затрудняющие создание пневматических ПР с позиционным и контурным управлением, а также низкий КПД. Большинство известных моделей пневматических ПР имеют цикловое управление, однако учитывая существенные достоинства пневмопривода, в настоящее время ведутся интенсивные работы с целью создания пневмоприводов, обеспечивающих позиционный и контурный режим работы /2.2, 3.20, 3.27,

3.29, 3.34, 3.36/. Кроме того?разработаны комбинации пневмспривода с маломощным электродвигателем /4*2/, позволяющие резко улучшить регулировочные свойства пневмопривода. Как отмечено в /3.4/, в настоящее время имеется тенденция к возрастанию удельного количества ПР с пневмоприводом.

Широкое распространение гидравлических приводов в роботост -роении (около 30$ от всей совокупности ПР /2.I/) вызвано их хоро -шими конструктивными характеристиками и характеристиками управления /2.1, 2.2, 2.II, 2.13, 2.16, 3.3, 3.5/, а также традициями станкостроения /3.3/. Существенным недостатком гидропривода являются низкие эксплуатационные свойства /2.11, 2.13, 2.28, 3.3, 3.5/. Это прежде всего сложность и высокая стоимость изготовления и

ЭКСШ1^'атации, загрязнение рабочей зоны вследствие утечек рабочей жидкости, пожароопасность, недопустимость работы при высоких температурах и радиации, необходимость в автономном энергетическом блоке, что резко увеличивает весогабаритные показатели ПР, низкий КПД.

Электропривод обладает высокими характеристиками управления, надежностью, высоким КПД, однако он требует применения сложных механических передач, имеет низкую удельную мощность которые в настоящее время препятствуют более широкому распространению его в робототехнике.

На рис.1Л приведен характер изменения стоимости единицы мощности се руб/Вт различных типов приводов ПР в зависимости от мощности привода. Полученные зависимости являются усредненными и построены на основании анализа соответствующих показателей пневматических, гидравлических и электрических приводов и их элементов рекомендованных к применению в роботостроении /2.2, 3.30, 4.2/.

- Ih

Стойкость единицы мощности различных типов приводов

Г - гидропривод П - пневмопривод 3 - электропривод

Рис I.I

Из графиков на рис.1.1 видно, что стоимость гидропривода в характерном для роботостроения диапазоне мощностей 0,1 - 3 кВт превышает стоимость как пневматического, так и электрического привода. Электропривод имеет в диапазоне мощностей до I f 1,5 кВт стоимость в 1,54- 2 раза ниже чем у гидропривода. Значительно более низкую стоимость-в 3+4 раза во всем диапазоне мощностей, имеет пневмопривод.

Основным недостатком электропривода с точки зрения исполь -зования в робототехнике, является его низкая удельная мощность. На рис.1.2 и 1.3 приведены зависимости удельной мощности h (Вт/кг) различных типов приводов применяемых в роботостроении от мощности. Как и на рис.1.1 эти зависимости являются усредненными и построены на основании анализа соответствующих показателей комплектных приводов и их элементов, рекомендованных для применения в роботостроении /3.30, 4.2/.

На рис.1.2 показаны зависимости удельной мощности силовых частей различных типов приводов, то есть частей привода, уста -новленных непосредственно на движущихся частях манипулятора. На рис.1.3 показаны зависимости удельной мощности всего установленного оборудования, относящегося к данному типу привода, которое определяет весогабаритные показатели всего ПР.

При расчете удельной мощности всего оборудования гидропривода к весу силовых частей привода, за который принят вес комплектных гидропривдов, добавлен вес насосной станции, распреде -ленный поровну между приводами звеньев манипулятора (количество которых принято равным б). При расчете удельной мощности электропривода в состав силовой части были включены электродвигатель

Удельная мощность силовых частей

Г - гидропривод П - пневмопривод Э - электропривод

Рис 1.2

Удельная мощность всего установленного оборудования

Г - гидропривод П - пневмопривод Э - электропривод

Рис 1.3 и механическая передача, а при расчете удельной мощности всего установленного оборудования учитывался также вес полупроводникового преобразователя и силового питающего трансформатора» При построении зависимостей рисЛ#2 и 1.3 для пневмоприводов учитывалась соответственно распределительная аппаратура и устройство подготовки воздуха.

Важно отметить, что для пневмоприводов зависимости рис.1.2 и рис.1.3 близки, что связано с питанием от промышленной пневмо -сети. Из рис.1.2 следует, что наивысшую удельную мощность силовых частей в диапазоне мощностей до 100 Вт имеет электропривод, свыше 800 Вт гидропривод, а в диапазоне от 100 Вт до 800 Вт пневмопривод.

Из сравнения удельной мощности всего установленного оборудования приводов видно, что по этому показателю электропривод имеет преимущество перед гидроприводом в диапазоне мощностей до 800 Вт. Наивысший показатель удельной мощности всего установленного оборудования в диапазоне мощностей до 4 кВт имеет пневмо -привод. Зависимости, приведенные на рис.1,2 и 1.3 близки к за -рубежным данным /3.45, 4.2/.

Из приведенного анализа следует, что:

- в настоящее время в роботостроении наиболее широко {44% всех моделей ПР) используется пневматический привод, что обусловлено рядом его преимуществ в сравнении с гидравлическим и электрическим приводом по конструктивным и эксплуатационным характеристикам;

- основным недостатком пневмопривода являются его низкие характеристики управления, ограничивающие применение пневматических роботов на операциях нанесения покрытий и других операциях, требующих повышенной функциональности исполнительных устройств;

- в ближайшее время относительное количество ПР с пневмоприводом остаётся высоким и даже несколько увеличивается,ввиду улучшения качества пневмоаппаратуры, разработки новых типов пневматических приводов роботов;

- таким образом, учитывая потребность отечественной промышленности в пневматических ПР, актуальна задача разработки высокофункциональных пневматических исполнительных устройств, что позволит значительно расширить диапазон их п]кменения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Сергеев, Сергей Михайлович

ВЫВОДЫ

I* Экспериментальные исследования проводились на макете пневматического следящго исполнительного устройства,соответствую-щего по конструктивным характеристикам модулю горизонтальной степени подвижности мини-робота.

2. Экспериментальные результаты исследования контура скорости подтвердили соответствие расчётного процесса полученного по линеаризованной модели следящего пневматического исполнительного устройства реальному в пределах 25-30$, Проведённое моделирование путём численного решения по программе приложения I, показало достоверность основной модели в пределах 10-15$.

3. Экспериментальная механическая характеристика совпадает с расчётной, расхождения на рабочем участке менее 8-10$, на участке нагрузок близких к максимальной не более 25$»

4. Расчёт динамической ошибки воспроизведения исполнительным устройством программного воздействия в виде гармонического, закона по аналитическим выражениям и сравнение с экспериментальными результатами показывает, что во всём диапазоне частот программного движения от 0,15 Гц до 0,5 Гц при амплитудах от 0,06м до 0,22м расхождение результатов находится в пределах 30$, кроме того экспериментальная амплитудно-частотная характеристика соответствует расчётной во всей полосе частот с точностью лучшей 20$,

5. Подтверждено условие выбора структуры одностороннего или двустороннего управления, полученное при решении задачи синтеза. При этом расхождение результатов расчёта по теоретическим формулам и экспериментальных данных не превышает 25$, выражения расчёта требуемых параметров распределителей и датчиков позволяют получить в итоге погрешность работы порядка 20$»

6» В ходе экспериментальных исследований показано, что собранное из серийных элементов по предложенной в настоящей работе схеме пневматическое следящее исполнительное устройство обеспечивает заданные режимы работы, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к роботам для автоматизации процессов нанесения покрытий. В диапазоне программных воздействий амплитудой до 0,22м, частотой до 0,5 Гц и массе подвижных частей до 2-Зкг получена динамическая ошибка не превышающая - Змм при исполь** зуемых датчиках давления и распределителях с высокими эксплуатационными показателями соответственно: =0,006с. При распределителях с ip =0,02с эта величина соответственно ниже: + 8-10мм, или если использован датчик давления с S *** р погрешность будет + 12мм.

При использовании трафарета соответствующего указанным программным траекториям, сила реакции при движении направляющего ролика не превышает 50-100 Н.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертации получены следующие основные результаты:

I. 3 настоящее время актуальна проблема автоматизации процессов нанесения покрытий, при этом её эффективность в значительной степени определяется исполнительными устройствами обеспечивающими движение распылителя. Основной тенденцией развития современного производства является путь к созданию гибких производственных систем на основе промышленных роботов. Разработанные в настоящее время для этой цели гидравлические и электрические устройства целесообразны, в основном при обработке крупных изделий, в то же время в большинстве, отраслей требуется автоматизировать нанесение покрытий на мелкие и средние детали. Обзор показал, что наиболее высокими конструктивными и эксплуатационными достоинствами обладают пневматические исполнительные устройства роботов, применение которых при нанесении покрытий ограничено ввиду их низкой функциональности.

2. Из сравнения различных способов повышения функциональности пневматических исполнительных устройств получено, что в настоящее время наиболее целесообразна разработка следящего пневматического исполнительного устройства с релейным управлением, что позволит сохранить высокие эксплуатационные достоинства пневматических систем. В соответствии с данным принципом разработана схема исполнительного устройства, содержащего релейные пневмораспределители, датчики скорости, положения, корректирующую обратную связь по перепаду давления. Получена математическая модель исполнительного устройства в размерной и безразмерной форме и составлена программа расчёта на ЭВМ. Из исходной системы получена линеаризованная кодель и составлена структурная схема устройства.

3. Исследование,проведённое по линеаризованной модели совместно с расчётами на ЭВМ,позволило получить выражения границ параметров исполнительного устройства, обеспечивающих его устойчивость, получить зависимость динамической ошибки от основных конструктивных и эксплуатационных факторов, определить амплитудно-частотные характеристики пневматического следящего исполнительного устройства, исследовать влияние на его работу изменений статической и инерционной нагрузки; при этом получено, что данное устройство целесообразно применять в мини-роботах, оперирующих с агрегатами массой до 1-2 кг при частоте программных движений до 1-2 гц.

4. Определён порядок синтеза пневматического исполнительного устройства, который включает этап расчёта конструктивных параметров пневмодвигателя охваченного обратными связями, условие выбора структуры системы управления исполнительного устройства, определение требуемого быстродействия пневморас^ пределителей, их минимального проходного сечения, допустимой погрешности датчиков давления, коэффициентов усиления преобразователей устройства управления, что даст возможность построить исполнительное устройство, удовлетворяющее требуемым динамическим свойствам. Получены зависимости для расчёта корректирующих трафаретов, повышающих точность отработки программы.

5. Проведены экспериментальные исследования пневматического следящего исполнительного устройства,соответствующего по конструктивным параметрам модулю горизонтальной степени подвижности робота для нанесения покрытий. При этом подтверждено соответствие базовой модели в пределах 10-15$, линеаризованных выражений в пределах 25-30$. Получено, что условие выбора одностороннего или двустороннего управления даёт результаты отличающиеся от фактических не более, чем на 25$. Расчёт параметров распределителей и датчиков давления позволяет получить итоговый погрешность порядка 25$ расчётной. Исследования показали возможность реализации операций нанесения покрытий с помощью данного устройства.

6. Расчёт экономическ ой эффективности внедрения пневматического следящего исполнительного устройства на операции нанесения покрытий показал, что итоговый годовой экономический эффект составляет 86 тыс. рублей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сергеев, Сергей Михайлович, 1982 год

1. Официально-документальные материалы

2. I. О мерах по увеличению производства и широкому применению автоматических манипуляторов в отраслях народного хозяйства в свете решений ХХУ съезда КПСС. Постановление ЦК КПСС Правда, 1980, 9 августа.2. Книги

3. Белянин П.Н. Промышленные роботы. т., Машиностроение, 1983 - 311с.

4. Устройство промышленных роботов. Е.И.Юревич, Б.Г.Авети-ков, О.Б.Корытко, Ю.Л.Андрианов, В.А.Королев, В.Г.Савин. Л., Машиностроение, 1980 333 с.

5. Кулешов B.C., Лакота Н.А. Динамика систем управления манипуляторами. М., Энергия, 1971 - 304 с.

6. Попов Е.П., Верещагин АЛ-., Зенкевич С.Л. Манипуляцион -ные работы: динамика и алгоритм. -- М., Наука, 1978 -4С0 с.

7. Управление роботами от 2ВМ. Е.И.Юревич, С.И.Новаченко, В.А.Павлов, Н.С.Телешов, М.В.Иванов Л., Энергия, 1980 - 264 с.

8. Медведев B.C., Лесков А.Г., Ющенко А.С. Системы управления манипуляционных роботов. М., Наука, 1978 г. - 416 с.

9. Андреенко С.Н., Ворошилов М.С., Петров Б.А. Проектирование приводов манипуляторов. Л., Машиностроение, 19751. J 1С с.

10. Научные п^зсблег ы робототехники. Ств.ред.Охоцимский Д.Е., Попов Е.П. М., Наука, I98C - 104 с.2Л1.Патон Б.Е., Спыну Г.А., Тимошенко В.Г. Промышленные роботы для сварки. К., Наукова думка, 1977 - 228 с.

11. Коренев Г.В. Целенаправленная механика управляемых манипуляторов. U., Наука, 1979 - 448 с.

12. Пособие по применению промышленных роботов. М., Мир, 1975 - 451 с.

13. Мелкозеров П.С. Приводы в системах автоматического управления. М. - Л., Энергия, 1966 - 384 с.

14. Мелкозеров П.С. Энергетический расчет систем автоматического управления и следящих приводов. М., Энергия, 1968 -304 с.

15. Прокофьев В.Н. Машиностроительный гидропривод. М., Машиностроение, 1978 - 495 с.

16. Основы проектирования следящих систем. Под ред. Н.АЛакоты. М., Машиностроение, 1978 - 391 с»

17. Машинные методы расчета систем автоматического управления. Учеб.пособие. А.А.Вавилов, Д.Х.Имаев, В.Д. Родионов и др. Л., ЛЗТИ, 1978 114 с.

18. Расчет автоматических систем. Под ред. Л.В.Фатеева -М., Высшая школа, 1973 336 с.

19. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. 2-е изд. перераб. и доп. - К., Наука, 1972 - 767 с.

20. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетки . М. - Л., Госэнергоиздат, 1962 -600 с.

21. Зашарин А.В. Расчет динамики и синтез нелинейных систем управления. №. - Л., Госэнергоиздат, I960 - 298 с.

22. Нелепин Р.А. Точные аналитические методы в теории нелинейных автоматических систем. Л., Судостроение, 1967 ~ 447 с.

23. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Учебник для студентов высш. техн. учеб.заведений, 2-е изд. перераб. и доп. - Л., Энергия, 1975 - 416 с.225. с1ельдбаум А.А. Основы теории оптимальных автоматических систем. К., Наука, 1966 - 624 с.

24. Вернадский В.Н., Григорович Т.Н. Производство и применение промышленных роботов за рубежом Киев, ИЭС, 1981 - 30 с.

25. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. М., Энергия, 1974 - 447 с.

26. Гидравлические и пневматические силовые системы управления. №., НИЛ, 1962 - 614 с.

27. Богачева А.В. Пневматические элементы систем автоматического управления. М., Машиностроение, 1966239 с. —

28. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая Динамика. М.,Наука, 1569 - 42 с.

29. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. Справ, пособие. №., Машиностроение, 1975 - 272 с.

30. Герц Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет. М., Машиностроение, 1975 - 272 с.

31. Погорелов В.И» Газодинамические расчеты пневматических приводов Л., Машиностроение, 1971 - 182 с.

32. Кондаков Л.А. Уплотнения гидравлических систем. М., Машиностроение, 1972 - 240 с.

33. Макаров Г.В. Уплотнительные устройства. Л., Машино -строение, 1973 - 231 с.

34. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмо-систем. Учебник для машиностроительных ВУЗое. М., Машиностроение, 1976 - 424 с.

35. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. М., Наука, 1974 - 435 с.

36. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. М., Физматиздат, I960 - 792 с.

37. Попов Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных 'системах. М., Наука, 1973 - 584 с.

38. Метод гармонической линеаризации в проектировании нелинейных систем автоматического управления под ред. Ю.й.Топчеева №., Машиностроение, 1970 - 567 с.

39. Основы автоматического управления. Под ред. В.С.Пугачева М., Наука, 1974 - 719 с.

40. Малышев З.П. Планирование эксперимента. Алма-ета, Наука, 1931 -"пб с.1. Статьи

41. Юревич Е.И., Мишкинд С.П. Особенности типажа отечественных роботов в кн. Всесоюзное совещание по робототехническим системам; тез.докл. - М., Наука, 1973, с.18-19.

42. Черков Е.П., Юревич Е.И. Технологическая классификация промышленных роботов. В кн. Промышленные роботы. Л1 •, Машиностроение, 1982 - с Л-13.

43. Матомацу К., Накаио К., Ириса К. Обоснование выбора электрического или гидравлического привода манипулятора. Кикай с эккей., 197I, т.15, № I, с.143-148.

44. Результаты исследования данных от производителей ПР -Технократ, 1977, Л 8, с.51-52.

45. Морозов В.А., Обухов В.А. Приводы промышленных роботов. В кн. Электромеханическое обеспечение автоматических комплексов. Новосибирск, НЭТИ, 1977, с.54-62.

46. Сабинин Ю.А., Мысливец Н.Л. Требования к приводам промышленных роботов. Электропривод, 1975, вып.6 (41) с.12-13.

47. Нахапетян Е.Г. Оценка быстроходности механизма позиционирования ПР. Станки и инструменты. 1976, № 2, с.24-26.

48. Крейнин Г.В. Выбор размеров трубопроводов пневматических исполнительных устройств. ~ Станки и инструмент, 1962,1. Я 1С, с.23.

49. Костин С.В., Саянин 3,3. Газовые приводы с порывистым управлением. 3 сб. Пневматические приводы и системы управления. М., Наука, 197I, с.48-56.

50. Бирюков П.В., Марочкина И.А., Хвилон Н.А. Алгоритмы расчета переходных процессов характеристик пневмопривода с цифровым управлением. Пневматика и гидравлика. Вып. 2, 1975, с. 209-217.

51. Карлов А.Г. Исследование условий применения цифровых приводов при проектировании функциональных модулей сборочных манипуляторов. Материалы второго всесоюзного совещанияпо робототехническим системам. Минск, 1981, с.127-128.

52. Универсальные промышленные роботы МП-5П, Ш-8. Техническое ' описание. JI., ЛПИ, 1980.

53. Герц Е.В., Бозров В.М. Исследование динамики пневмоприводов и поворотных пневмодвигателей с целью применения в промышленных роботах. В кн.: Промышленные роботы и их применение. - Л., ЛДНТП, 1980, с.26-30.

54. Кре инин Г.3., Солнцева К.С. Исследование линейной модели следящего пневмопривода для промышленных роботов. тех, докл. 4-го всесоюзного симпозиума по пневматическим (газовым) приводам и системам управления. - Тула,1981, с.3-4.

55. Спыну Г.А., Сергацкий Г.И., Загребалъный В.И. Промышленные роботы для дуговой сварки. Автоматическая сварка, 1976, }(■ 9, с .9-11.

56. Программируемый робот для окрашивания. Автомобильная промышленность США. 1977, К 10, с.36-37.

57. Рамхен Х.Ф. Некоторые особенности проектирования механических передач промышленных роботов. В кн. Электроме -ханическое обеспечение промышленных комплексов. - Ново -сибирск, НЭТИ, 1979, с. I03-II5.

58. Мысливец Н.Л., Сабинин Ю.А, Унификация исполнительных устройств промышленных роботов. В кн. Новые системы и средства автоматики для повышения эффективности технологических процессов. - Л., ЛДНТП, 1978, с. 13-18.

59. Пневматические роботы, перспективы развития и применения. В.А.Королев, С.М.Сергеев и др. В кн. Проблемные вопросы автоматизации производства, тез.докл. Всесоюзной конф.-М., 1978, с.172-173.

60. Международное освещание по промышленных роботам. Козырев А.А., Юревич Е.И. Станки и инструмент, 1978, № I.

61. Ворошилов И.С., Григорьев Ю.Г., Липатов И.А., Козлов К.С. Электропневматический робот грузоподъемностью 25 кг.

62. В кн. Новые системы и средства автоматизации для повышения эффективности технологических процессов. Л., ЛДНТП, 1978, с. 81-86.

63. Шенб ЮН-Цю. Влияние условий эксплуатации и величины зазора в сопряжении деталей из пластмассы и металла на величину коэффициента трения. №., МВТУ, 1978.

64. Афонин А.П., Крейнин Г.В., Янбулатов P.M. Об одной позиционной системе с пневматическим поршневым двигателем. Машиноведение, 1976, № 4, с. 25-31.

65. Янбулатов Р.И. Экспериментальное исследование пневматического позиционного привода с пневматическим датчиком положения. Машиноведение, 1975, № 5, с.42-48.

66. Белов С.Ю., Королев В.А. Электропневматический призод робота с позиционным и контурным управлением. В кн. Управляемые механические системы. - Иркутск, ИЛИ, 1978, с.50-54.

67. Королев В.А., Малейко Л.В., Сергеев С.М. Пневматический следящий привод для промышленных роботов и основные требования к его элементам. В кн. Промышленные роботы. JI.f Машиностроение, 1982, с. 84-90.

68. Кондратьева Т.С., Королев В.А., Сергеев С.М. Сборка соединений типа вал-втулка с помощью робота. В кн. Робототехника. Л., ЛПИ, 1977, с. 124-128.

69. Донской А.С., Королев В.А., Сергеев С.М. Позиционный пневмопривод со струйной системой управления. В кн. Промышленные роботы и их применение. Л., ЛДНТП, 1980,с. 22-26.

70. Белов С.Ю., Королев В.А., Сергеев С.М. Синтез управляемого пневматического привода промышленных роботов. 3 кн. Пневматика. Гидравлика, вып.8,- М., Машиностроение,198I, с.20-31.

71. Кондратьева Т.С., Королев В.А., Сергеев С.М. К вопросу о точности позиционирования промышленного робота при роботизации установочных и сборочных операций. В кн. Промышленные роботы и их применение. Л., ЛДНТП, 1976, с. 70-74.

72. Королев В.А., Сергеев С.М., Зскенази М.С. Принципы создания пневматического окрасочного робота. В кн. Автоматизация производственных процессов на базе применения промышленных роботов Минск, 1979, с. 37-38.

73. Королев Б.А., Сергеев С.Ы. Пневматический сборочный робот с контурной системой управления. В кн. Управление робототехническими системами. М., Наука, 1982, с.60-68.

74. Пневматический инструмент, maschinenwelt, electrotech-nic.1976, 31. v.

75. Михеев В.Г., Пашков В.М., Солнцева К.С. Использование следящего пневматического привода в промышленных роботах. В кн. Материалы 2-гс всесоюзного совещания по робототехническим системам. Минск, 1981, с.122-124.

76. Кондратьева Т.С. Исследование точности позиционирования промышленных роботов, применяемых при выполнении токарных операций. Дис. на соиск.уч .ст.к,т.н. -JI., 1977, с.181.

77. Белов С.Ю. Разработка и исследование электропривода с пневматическим усилителем для промышленных роботов. Дис.на соискание уч.ст. к.т.н. - JI., 1980, с.239.

78. А,С. 746402 (СССР). Система управления манипулятором, В.А. Королев, С.Ю.Еелсв, С.М.Сергеев, Опубл. в Б.И., 1980, - 25.

79. Каталоги промышленного оборудования и изделий

80. Промышленные роботы. Под ред.Е.И.Юревича J.5., НШша, 1978, с .110.

81. Элементы и устройства пневмоавтоматики высокого давления.-М., НЯИмаш, 1978, с.155.

82. Промышленные роботы и ?.-:анипуляторы. Каталог. М., ЗлМИ, 1981.- 161